Sua sede, originalmente ubicada en el palacio real, fue trasladada en 1856 al palacio de la Universidad de Cagliari, tras la donación de las colecciones hecha a esta entidad por el rey Carlos Félix. A principios del siglo XX, el museo, en fuerte expansión, necesitó disponer de una sede diferente.
La inauguración de la nueva estructura, situada en la plaza Independencia y diseñada por Dionigi Scano, tuvo lugar en 1904, con una puesta en escena cuidada por Antonio Taramelli, ilustre arqueólogo y superintendente desde 1901 hasta 1931. Desde 1993 el museo, ya ampliado de manera extraordinaria por las donaciones de particulares y por los materiales provenientes de las excavaciones, se trasladó a la actual prestigiosa sede de la Ciudadela de los museos, estructura cultural polivalente diseñada por los arquitectos Piero Gazzola y Libero Cecchini en el área del Real Arsenal del siglo XVIII.
El museo ofrece la posibilidad de realizar un completo recorrido temporal a través de la prehistoria y la historia antigua de Cerdeña mediante un recorrido expositivo articulado en cuatro plantas. En el subsuelo se exponen, según un criterio cronológico-didáctico, piezas que ilustran todas las fases culturales que se han sucedido en la isla desde el Neolítico Antiguo (6000-4000 a.C. aproximadamente) hasta la Alta Edad Media (siglo VIII d.C.).
En las otras plantas la exposición de los materiales sigue un criterio topográfico con la ilustración de los principales sitios arqueológicos presentes en el territorio centro meridional de Cerdeña. Sin embargo, se destacan cinco momentos culturales fundamentales: la edad prenurágica, con piezas del período Neolítico y Eneolítico (6000-1800 a.C.) y de la primera edad del Bronce (1800-1600 a.C.), el período nurágico, ilustrado por materiales que datan desde el Bronce Medio (1600-1300 a.C.) hasta la segunda edad de Hierro (600 a.C.), el período fenicio-púnico (segunda mitad del siglo VIII a.C.-238 a.C.), la edad romana republicana e imperial (finales del siglo III a.C.- primera mitad del siglo IV d.C.) y finalmente la edad romano tardía y altomedieval (hasta los siglos VII-VIII d.C.).
